森兰变频器用于恒液位供水

　一. 现场情况
某工矿地处远离城市的山区中，不可能使用市政的自来水管网，那就自建一个小型的供水系统。一般的情况是，在靠近河边建一个取水站，将河水抽到半山腰的水处理站，经过沉淀，加氯消毒后，再由水泵送到山顶的高位水池，利用山顶与用户之间的高差实现自流供水。这种情况比较普遍，如铁路沿线的车站，大都远离城市，而且相当多的车站建在山区中，其自建的供水系统与此类似。本例用户的取水站建在山下的河边上，离半山腰的水处理站直线距离在800米以上，取水站有3台扬程110米的30kW水泵，二用一备。取水站无人值守，水处理站有人值班，取水站的水泵的起，停控制也是由水处理站的值班人员担任。值班人观察水处理沉淀池的水位，如果沉淀池快要抽满或抽水量不足时，值班人员就步行1公里多路程到取水站进行相应的操作。对于沉淀池快要抽满的情况，有时处理不及时，沉淀池水满后就流失了较多的水，这不仅浪费电能，也造成水资源损失。水处理站将处理好的水送往高位水池，有2台扬程80米的45kW水泵一用一备，也同样有高位水池水满后造成水资源损失和电能的浪费。
二. 控制方案
因为存在以上的问题，需要做改造，用户的要求是：
1. 取水站无人值守；
2. 沉淀池，高位水池水位自动控制；
3. 有一定限度的节能。
考虑到取水站无人值守，选择启动设备时着重可靠性，就选用软启动器，每台水泵配1台，共3台。沉淀池内设有“高”“中”“低”3个水位点，用PLC根据沉淀池水位的高低来决定1台水泵运行或2台水泵运行，还可通过编程控制使3台水泵使用的时间尽量相同。水泵的运行信号，故障信号通过电缆送到水处理站显示。取水站的抽水水位比水泵安装位置低2米，水泵初次起动或停止后再起动，都可能形成“真空”而吸不上水，原来的方式是靠人工注水，注水过程中打开排气阀将管道和水泵中的空气排除后再起动。无人值守后必须自动地完成注水排气这个过程，否则抽不上水的水泵长期运行会损坏。为满足自动注水排气,须检测管道内有无“真空”，其方法一是直接用真空表检测管道内“真空”；另一种方法采用间接检测方式，即检测水泵电机的运行电流。如果管道有“真空”，则电机近似于空载运行，电流较小；如果管道没有“真空”，则电机接近满载运行，电流基本上为额定电流，二者的差值较大。本例中，水泵电机30kW，满载电流56.4A，管道有“真空”时电机电流为25A。水泵起动时，用电流检测模块测量电机的电流，将此值送往PLC，将电流数值门限定在35A上。电机电流值高于35A，表示管道没有“真空”，起动成功继续运行；电机电流值低于35A时，停止电机运转，PLC输出信号，打开注水和排气电磁阀，注水和排气同时进行，排出管道内的空气，3～5分钟后，重新再起动一次。如果电机电流值仍低于35A，重复上述电机停车，再次注水和排气，3～5分钟后，再次进行起动。这样的起动过程可进行3次，如果3次都不能起动水泵，则表示水泵，电机或抽水管道有问题（如底阀处有异物），PLC给出报警信号，通知值班人员处理。本例采用的是后一种方法，需要在管道上加装注水和排气电磁阀。整个设备装在控制柜中，控制柜安装在取水站。取水站控制系统如图1所示

图1　取水站控制系统图
为节能考虑，水处理站往高位水池送水的水泵用变频器驱动，高位水池的水位信号也通过电缆送到水处理站，与变频器组成一个水位闭环控制系统，适当调节水位闭环控制系统的给定，可有不错的节能效果。
三. 节能效果
高位水池的容积有400立方米，如果关闭高位水池出水阀门，45kW水泵工作4小时可将高位水池抽满，消耗的电能为


采用变频器后，调节给定值使水泵到高位水池的出水有较小的富余扬程，由水泵相似性原理：





（3）
式中：　n—水泵额定转速，     n1--水泵调节后转速，
　　　　H—水泵设计扬程，     H1--水泵调节后扬程，
　　　　Q--水泵设计流量，     Q1--水泵调节后流量，
　　　　P---水泵设计轴功率，   P1--水泵调节后轴功率。  
调节变频器的频率在43Hz，由公式（3）水泵调节后扬程H1为水泵设计扬程H的74%，已无较多的富余扬程，水泵调节后流量Q1为水泵设计流量Q的0.86，45kW水泵工作4.65小时可将高位水池抽满，所消耗的电能为


抽满一池水降低电耗42.8kWh。实际上，不可能关闭高位水池出水阀门，一般情况是水泵在向高位水池供水时，也同时给用户供水。每天的节能可从用户的用水量估计。流量表上显示，该用户每天用水量在800立方米左右，按800立方米计算，每天节电85.6kWh，年节电85.6×365=31244kWh。
高位水池的水位控制如图2所示，变频水位控制系统图如图3所示。

图2　水位控制示意图

图3　变频水位控制系统图
图中：K—起动/停止，PT—水位变送器，水位给定由键盘操作，变频可切换为任一台水泵运行。
四. 结语：
液位控制的事例现实中比比皆是，用得较普遍的就是高位水池的自流供水，本例中采用软起动器和变频器组成的液位控制系统。两种系统各有优势，变频器构成的系统可以是恒液位控制系统，并且，还有一定的节能效果。节能的多少与水泵富余扬程和用户用水量的大小有关。水泵富余扬程越大，用户用水量越大（在水泵能够提供的最大流量范围内），节能越显着。